[论文解读] Single Molecule Fluorescence Imaging as a Technique for Barium Tagging in Neutrinoless Double Beta Decay

B. J. P. Jones, A.D. McDonald+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 16被引用 5

一句话总结

本文提出使用单分子荧光成像（SMFI）检测136Xe发生无中微子双贝塔衰变时产生的钡离子，采用光纤耦合的全内反射荧光（TIRF）传感器与钡离子敏感荧光染料。在水溶液测试中，该系统实现了85的信背比，展示了单离子灵敏度，并验证了该方法在高压氙气探测器中未来应用的可行性，可实现近乎无本底的吨级实验。

ABSTRACT

Background rejection is key to success for future neutrinoless double beta decay experiments. To achieve sensitivity to effective Majorana lifetimes of $\sim10^{28}$ years, backgrounds must be controlled to better than 0.1 count per ton per year, beyond the reach of any present technology. In this paper we propose a new method to identify the birth of the barium daughter ion in the neutrinoless double beta decay of $^{136}$Xe. The method adapts Single Molecule Fluorescent Imaging, a technique from biochemistry research with demonstrated single ion sensitivity. We explore possible SMFI dyes suitable for the problem of barium ion detection in high pressure xenon gas, and develop a fiber-coupled sensing system with which we can detect the presence of bulk Ba$^{++}$ ions remotely. We show that our sensor produces signal-to-background ratios as high as 85 in response to Ba$^{++}$ ions when operated in aqueous solution. We then describe the next stage of this R\&D program, which will be to demonstrate chelation and fluorescence in xenon gas. If a successful barium ion tag can be developed using SMFI adapted for high pressure xenon gas detectors, the first essentially zero background, ton-scale neutrinoless double beta decay technology could be realized.

研究动机与目标

• 为解决吨级无中微子双贝塔衰变（0νββ）实验中背景抑制的关键挑战，背景必须控制在每年每吨少于0.1个计数。
• 开发一种识别136Xe衰变中产生的钡子离子的方法，从而为0νββ事例提供近乎无本底的特征信号。
• 将单分子荧光成像（SMFI）技术适配于高压氙气（HPgXe）探测器，该技术在生物化学中已证明具有单离子灵敏度。
• 在与HPgXe探测器相关的干燥、非水环境条件下，展示基于TIRF的光纤耦合光学传感检测钡离子的可行性。

提出的方法

• 利用全内反射荧光（TIRF）激发涂覆在光纤表面的钡离子敏感荧光染料，实现近场区域的倏逝波激发与荧光检测。
• 采用光纤耦合光学系统，结合二向色镜分离，将TIRF发射的光收集并导入光谱仪以实现信号检测。
• 将活细胞成像中使用的SMFI技术进行改造，利用对Ca++具有高特异性和低本底的染料，检测单个Ba++离子。
• 通过在水溶液中使用4 µL荧光素溶液滴落测试系统，确认TIRF荧光有效耦合至光纤，验证了光学配置的正确性。
• 计划通过测试染料在干燥氙气中的荧光响应、Ba++捕获效率及离子漂移特性，将该方法拓展至高压氙气环境。
• 在光纤后方设置带负电的阴极，以聚焦漂移的Ba++离子，使其更高效地抵达染料涂层表面，提升检测效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 SMFI染料是否可在非水、高压氙气环境中有效用于钡离子检测？
• RQ2 钡离子敏感SMFI染料在高压氙气环境中的荧光量子产率和光谱特性为何？
• RQ3 在实验条件下，染料涂层光纤在氙气中对钡离子的捕获效率如何？
• RQ4 Ba++离子在氙气中如何表现？其迁移率、扩散行为及向探测元件的聚焦效率如何？

主要发现

• 在水溶液中，光纤耦合的TIRF传感器对批量Ba++离子响应的信背比达到85，展示了高灵敏度与低本底。
• 通过光谱仪检测到的荧光发射被证实源自近场区域的TIRF激发，验证了光学耦合机制的可靠性。
• 系统成功检测到4 µL荧光素溶液滴落产生的绿色荧光，证实TIRF发射有效耦合至光纤模式。
• 该传感器设计兼容干燥环境，因染料涂层为水溶性，需在未来在无水氙气中进行测试。
• 结果支持将SMFI技术适配于高压氙气探测器中的钡离子标记，有望实现近乎无本底的0νββ探测。
• 若氙气环境测试结果积极，将验证实现每吨每年背景少于0.1个计数的阈值路径，满足10^28年寿命探测所需的背景要求。